A. Introduction
Les métalloprotéases matricielles (MMPs) aussi appelées matrixines appartiennent à la superfamille des metzincines comprenant également, les serralysines, les astacines, les ADAMs protéases (A Disintegrin And Metalloproteases domain) et les ADAM-TS protéases (ADAM avec un motif ThromboSpondine) [54]. Les MMPs constituent une famille d’au moins 28 enzymes qui sont soit sécrétées, soit transmembranaires et dont 22 d’entre elles sont exprimées dans les tissus humains. Ce sont des endopeptidases dépendantes du zinc et du calcium qui, comme leur nom l’indique, sont activement impliquées dans la dégradation des composants de la matrice extracellulaire. Initialement, le premier membre de la famille fut décrit par Jérôme Gross et Charles Lapière en 1962. Ils observèrent une activité enzymatique responsable de la dégradation de la triple hélice de collagène, durant la métamorphose de la queue du têtard. L’enzyme impliquée fut alors dénommée, « collagénase interstitielle » ou MMP-1 [55].
B. Structure des MMPs
Les MMPs partagent une structure commune hautement conservée (Figure 11). Elles sont constituées de quatre domaines communs à toutes les MMPs : le prédomaine, le prodomaine, le domaine catalytique et le domaine homologue à l’hémopexine présent à l’extrémité carboxy-terminale. Le prédomaine est nécessaire à l’acheminement intracellulaire. Il est rapidement éliminé après la sécrétion de la protéine et est absent de la forme enzymatique mûre. Le prodomaine maintient l’enzyme sous forme latente. Il est constitué d’une séquence peptidique comprenant un résidu cystéine qui interagit avec le site catalytique ainsi que, dans certains cas, un site de clivage pour la furine permettant une activation intracellulaire de l’enzyme. Le site de clivage pour la furine est présent sur les MMP-11, -21 et -28 ainsi que sur les MMP transmembranaires (MT-MMPs). Le domaine catalytique contient un atome de zinc maintenu par trois résidus cystéine au fond d’une structure peptidique tridimensionnelle en forme de poche. Le résidu cystéine du prodomaine agit comme le quatrième ligand de cet ion métallique. Le clivage protéolytique du prodomaine permet de rendre l’atome de zinc accessible ce qui entraîne l’activation du site catalytique qui peut alors lier son substrat.
Enfin, le domaine carboxy-terminal est une chaîne polypeptidique dont la structure est homologue à l’hémopexine ou à la vitronectine. Cette chaîne est attachée au site catalytique
par une région charnière riche en résidus proline. Elle détermine la spécificité du substrat des MMPs et sert également de site pour l’interaction avec leurs inhibiteurs. Ce domaine est absent dans la structure des MMP-7, -23 et -26 [56].
Six MMPs possèdent également un domaine transmembranaire à l’extrémité carboxy-terminale. Ces MMPs représentent la famille des MT-MMPs et sont exprimées à la surface cellulaire [57].
Figure 11: Structure générale des MMPs d’après Consolo [58]
C. Classification
Les MMPs peuvent être classées en six groupes sur base de leurs différences structurales. Ces différents groupes sont représentés par les matrilysines, les collagénases interstitielles, les stromélysines, les gélatinases, les métalloprotéases transmembranaires (MT-MMP) et les autres MMPs (Table 2) [59].
a. Les collagènases interstitielles
Les MMP-1, -8 et -13 constituent le groupe des collagénases interstitielles. Elles interviennent dans la dégradation des collagènes fibrillaires incluant les collagènes de types I, II, III et VII [60].
La MMP-1 est exprimée par les fibroblastes et est capable de dégrader le collagène de la matrice extracellulaire. Elle existe sous deux formes latentes dans les tissus, une forme de 57 kDa et une forme de 52 kDa, la plus courante. La forme active de l’enzyme hydrolyse les collagènes de types I, II, III, VII, VIII et X ainsi que l’α2 -macroglobuline, la gélatine, la caséine, la ténascine, l’IL-1β et les pro-MMP-2 et -9 [61].
La MMP-8 représente la seconde collagénase. Elle est produite majoritairement par les neutrophiles mais également par toute une autre série de cellules comme les chondrocytes, les fibroblastes, les cellules endothéliales et les kératinocytes. Elle est capable de dégrader les collagènes de types I, II, III, VII, VIII et X ainsi que l’aggrécan, la gélatine, et le fibrinogène [62] [60].
La troisième collagénase qui fut découverte est la MMP-13. Elle est exprimée par les chondrocytes, les fibroblastes et est surexprimée dans le cancer du sein. Son substrat principal est le collagène de type II mais elle dégrade également les collagènes de types I, III, IV, IX, X et XIV, la gélatine, la ténascine, la fibronectine, les protéoglycans du cartilage, l’aggrécan, le fibrinogène et le facteur XII [60].
Enfin, la dernière collagénase est la MMP-18. Elle fut découverte chez le Xenopus laevis et son homologue n’a pas encore été identifié chez l’homme. Chez l’amphibien, elle dégrade la gélatine et le collagène de type I [63].
b. Les gélatinases
La classe des gélatinases est constituée des MMP-2 et -9. Elles dégradent principalement la gélatine qui est un métabolite du collagène interstitiel mais également d’autres protéines de la matrice extracellulaire. Le site catalytique de ces MMPs possède trois séquences peptidiques répétitives analogues à la fibronectine de type II. Ces trois séquences permettent la liaison de la gélatine au niveau du site catalytique [63-64].
La MMP-2 est exprimée par les cellules du stroma de la plupart des tissus. Les substrats principaux de cette protéase sont la gélatine et le collagène de type IV. Elle est aussi capable de cliver les collagènes de types I, II, III, V, VII, X, XI et XIV ainsi que la laminine, l’élastine, la fibronectine, la décorine, les protéoglycans du cartilage et l’IL-1β [65].
La MMP-9, quant à elle, est exprimée par les macrophages et les leucocytes polynucléaires.
Son expression est induite dans le remaniement tissulaire comme le développement embryonnaire, la cicatrisation ou l’invasion tumorale. Elle dégrade les collagènes de types IV,
V, VII, X et XIV ainsi que la gélatine, l’élastine, l’aggrécan et aussi les pro-MMP-9 et -13 [65].
c. Les stromélysines
Les MMP-3, -10 et -11 constituent la classe des stromélysines.
La MMP-3 est exprimée par les fibroblastes et par les cellules épithéliales normales. Elle dégrade les collagènes de types I, II, III, IV, IX, X et XI, l’aggrécan, le fibrinogène, la fibrine, la décorine, l’élastine, et les pro-MMP-7, -8, -9 et -13 [63].
La MMP-10 est, quant à elle, exprimée par les fibroblastes, les cellules épithéliales, les kératinocytes, les lymphocytes T, les chondrocytes, les ostéoblastes et les ostéoclastes. Elle peut cliver les collagènes de types III, IV et V, la fibronectine, la gélatine et des protéoglycans. Les MMP-3 et -10 sont exprimées dans certains cancers [63].
La MMP-11 est exprimée par les cellules mésenchymateuses et intervient dans le clivage des inhibiteurs de sérines protéases. Ses substrats sont la fibronectine, la laminine, la gélatine et l’aggrécan [63].
d. Les métalloprotéases transmembranaires
Les MMP-14, -15, -16, -17, -24, -25 sont également appelées MT1-MMP à MT6-MMP. Elles se lient à la membrane cellulaire soit par l’intermédiaire d’un site hydrophobe transmembranaire présent dans leur domaine homologue à l’hémopexine, soit par un pont inositol-phosphate. Ces enzymes jouent un rôle dans la dégradation de la matrice extracellulaire et interviennent dans l’activation protéolytique des autres MMPs [66].
La MMP-14 fut découverte comme la protéase capable d’activer la pro-MMP-2 à la surface cellulaire des cellules invasives de carcinome pulmonaire. Elle clive les collagènes de types I, II et III, la gélatine, les protéoglycans du cartilage, la fibronectine, la vitronectine, la ténascine, et l’aggrécan. Elle agit comme une protéine régulatrice car son domaine cytoplasmique est capable d’activer des protéines kinases qui induisent un signal extracellulaire. Elle est impliquée dans la migration cellulaire et la régulation de certains gènes [66].
La MMP-15 fut caractérisée dans le poumon. Ses substrats sont la fibronectine, la ténascine, le laminine, l’aggrécan et la pro-MMP-2.
La MMP-16 est principalement exprimée dans le placenta et dans le cerveau. Elle est également capable d’activer la pro-MMP-2 et elle peut hydrolyser le collagène de type III, les protéoglycans du cartilage, la gélatine, la fibronectine et la vitronectine [66].
La MMP-17 est largement exprimée dans les organes internes et par les leucocytes. Elle est capable de cliver la gélatine mais aucun autre composant de la matrice extracellulaire [67].
La MMP-24 est exprimée dans le cerveau, le rein, le pancréas et le poumon. Elle est capable d’activer la pro-MMP-2 mais les autres substrats de cette protéase sont encore inconnus.
Enfin, la MMP-25 est exprimée par les leucocytes et les neutrophiles dans les poumons, la rate et les tumeurs cérébrales. Elle peut dégrader le collagène de type IV, la gélatine, la fibronectine et la fibrine [67].
e. Les matrilysines
Les matrilysines sont les MMPs possédant la structure la plus simple car elles ne comprennent pas de domaine carboxy-teminal homologue à l’hémopexine. Les MMP-7 et -26 constituent cette classe de MMP. Leurs spectres protéolytiques sont partiellement divergents mais incluent la fibronectine et la gélatine [68-69].
La MMP-7 est également connue sous le nom de putative metalloprotease (PUM). Elle est capable de dégrader un grand nombre de composants incluant le collagène de type II, la fibronectine, la gélatine, les protéoglycans, la décorine, la ténascine, la laminine, l’E-cadhérine et le pro-TNF-α [70].
Les substrats de la MMP-26 sont la gélatine, le TNF-α, la fibronectine, le collagène de type IV, le fibrinogène, la caséine et la vitronectine [71].
f. Les autres MMPs
Les MMP-12, -18, -19, -20, -21, -22, -23, -27 et -28 forment le groupe hétérogène des MMPs.
La MMP-12 aussi appelée metalloélastase du macrophage dégrade essentiellement l’élastine.
Elle est exprimée principalement par les macrophages alvéolaires [72]. Ses propriétés seront détaillées dans la section 3 de cette introduction.
La MMP-19 est exprimée par les cellules sanguines mononucléaires, les lymphocytes, les fibroblastes et les cellules myéloïdes. Ses substrats sont la gélatine, la laminine, le collagène de type IV, la ténascine, la fibronectine et l’aggrécan [63].
La MMP-20, également appelée énamélysine, intervient quant à elle, dans la formation de l’émail dentaire. Elle dégrade l’amelogenine, la gélatine, la caséine, l’aggrécan, la fibronectine, la laminine et la ténascine [63].
Les processus par lesquelles les autres MMPs de ce groupe sont activées ne sont actuellement pas encore connus, de même que leurs modes d’action et leurs substrats.
Tableau 2
NOM SUBSTRATS
Collagénases interstitielles MMP-1 (Collagénase-1)
Collagènes I, II, III, VII, VIII, X, α2
-macroglobuline, gélatine, caséine, ténascine, Il-1β, pro-MMP-2, pro-MMP-9
MMP-8 (Collagénase-2) Collagènes I, II, III, VII, VIII, X, aggrécan, gélatine, fibrinogène
MMP-13 (Collagénase-3)
Collagènes I, II, III, IV, IX, X, XIV, gélatine, ténascine, fibronectine, protéoglycans, aggrécan, fibrinogène, facteur XII
MMP-18 (Collagénase-4) Gélatine, collagène I Gélatinases
MMP-2 (Gélatinase-A)
Collagène I, II, III, IV, V, VII, X, XI, XIV, gélatine, élastine, fibronectine, aggrécan, laminine, décorine, protéoglycans, IL-1β.
MMP-9 (Gélatinase-B) Collagène IV, V, VII, X, XIV, gélatine, pro-MMP-9, pro-MMP-13, élastine, aggrécan
MMP-10 (Stromélysine-2) Collagènes III, IV, V, fibronectine, gélatine, protéoglycans
MMP-11 (Stromélysine-3) Fibronectine, laminine, gélatine, aggrécan MT-MMP
MMP-14 (MT1-MMP)
Collagènes I, II , III, gélatine, , fibronectine, vitronectine, ténascine, aggrécan, laminine, pro-MMP-2, pro-MMP-13
MMP-15 (MT2-MMP) Pro-MMP-2, gélatine, fibronectine, laminine, ténascine, aggrécan
MMP-16 (MT3-MMP) Pro-MMP-2, collagène III, protéoglycans, gélatine, fibronectine, vitronectine
MMP-17 (MT4-MMP) Gélatine
MMP-24 (MT5-MMP) Pro-MMP-2
MMP-25 (MT6-MMP) Gélatine, collagène IV, fibronectine, fibrine Matrylisines
MMP-7 (Matrylisine-1)
Collagène II, fibronectine, gélatine, protéoglycans, décorine, ténascine, laminine, E-cadhérine, pro-TNF-α
MMP-26 (Matrylisine-2) Gélatine, TNF-α, fibronectine, collagène IV, fibrinogène, caséine, vitronectine
Autres
MMP-12 (Métalloélastase) Elastine,
MMP-19 Ténascine, gélatine, aggrécan, laminine, collagène IV, fibronectine
MMP-20 (Enamélysine) Enamel, gélatine, caséine, aggrécan, fibronectine, laminine, ténascine
Tableau 2 : Classification des MMPs
D. Régulation de l’activité des MMPs
L’activité des MMPs dans l’espace extracellulaire dépend de l’équilibre entre leur inhibition et leur activation. La synthèse et la fonction des MMPs sont régulées par trois mécanismes principaux tels que, l’activation transcriptionnelle, la régulation post-transcriptionnelle (clivage du prodomaine et détachement de la surface cellulaire) et le contrôle de l’activité par différents inhibiteurs endogènes tissulaires connus sous le nom de TIMP (Tissue Inhibitors of MetalloProteinase) ou circulants, tels que l’α2-macroglobuline [73].
L’expression des MMPs est stimulée par plusieurs cytokines et facteurs de croissance comprenant l’IL-1β, les IFNs, l’EGF, le PDGF et le TNF-α. Ces différents facteurs induisent l’expression et/ou l’activation de c-fos et de c-jun qui se lient et activent l’Activator Protein-1 (AP-1), un site promoteur dans les gènes de MMPs. Le TGF-β (Tumor Growth Factor-β) est connu, quant à lui, pour réduire l’expression de ces gènes.
Comme décrit plus haut, les MMPs sont sécrétées sous formes latentes nécessitant le clivage du prodomaine par protéolyse pour être activées. Cette activation peut avoir lieu soit dans le milieu extracellulaire, soit à la surface cellulaire, soit dans le cytoplasme [74]. Certaines MMPs contiennent un motif qui peut être reconnu par des enzymes homologues de la furine et qui permet une activation intracellulaire de la protéase. Les MMPs ne possédant pas ce site de clivage ne peuvent être activées qu’après leur sécrétion dans le milieu extracellulaire.
L’élimination du prodomaine des MMPs et leur activation peuvent être réalisées sous l’action de la plasmine mais aussi des MMPs elles-mêmes.
Enfin, l’activité des MMPs est contrôlée par des inhibiteurs endogènes, les TIMPs. Les TIMPs représentent une famille de protéines sécrétées de 20 à 29 kDa qui inhibent spécifiquement les formes actives de MMPs et, dans certains cas, les formes latentes. Les TIMPs ont une structure commune avec 12 résidus cystéines conservés.
Jusqu’à présent, quatre TIMPs ont été identifiées chez les vertébrés (TIMP-1 à TIMP-4).
TIMP-1 est une protéine de 28.5 kDa qui contient deux sites de glycosylation. TIMP-2 est une protéine de 21 kDa qui est chargée négativement à l’extrémité carboxy-terminale. TIMP-3 existe sous deux formes, une forme glycosylée de 27 kDa et une forme non glycosylée de 24 kDa. Les deux formes de 3 sont retrouvées dans le milieu extracellulaire. Enfin, TIMP-4 est la protéine de la famille des TIMPs la plus neutre en conditions physiologiques. Ces inhibiteurs forment un complexe équimoléculaire avec les formes actives des MMPs. Le domaine amino-terminal des TIMPs se lie au site catalytique des MMPs et bloque l’accès de
ce site pour le substrat. Ces complexes sont stables et irréversibles. Les quatre TIMPs ont des affinités distinctes pour les différentes MMPs. Par exemple, TIMP-1 et TIMP-2 sont capables d’inhiber les formes actives de MMP-2 et de MMP-9 respectivement. Comme pour les MMPs, l’expression des TIMPs dans les tissus est étroitement régulée afin de maintenir un équilibre entre les phénomènes de protéolyse par les MMPs et l’inhibition de ces phénomènes par les TIMPs permettant ainsi à la matrice extracellulaire d’être stable. La régulation des MMPs par les TIMPs est donc un facteur important contrôlant le catabolisme de la matrice extracellulaire et une dérégulation de cet équilibre peut être à l’origine de différents états pathologiques comme l’arthrite, la cicatrisation, le cancer, la cirrhose… [59].
L’expression des TIMPs semble être régulée par les membres de la superfamille du TGF-β.
Le TGF-β1 augmente les taux d’ARNm de TIMP-1 et TIMP-3 [75]. La BMP-2 (Bone Morphogenetic Protein-2) quant à elle, stimule l’expression de TIMP-2 et TIMP-3 [76].
E. Rôle des MMPs dans l’asthme
Les patients atteints d’asthme présentent des taux importants de MMP-2, MMP-9 et TIMP-1 dans leur sputum. La MMP-9 est la première MMP étudiée pour son implication dans la pathologie de l’asthme. Des taux élevés de MMP-9 sont retrouvés dans le liquide de lavage bronchoalvéolaire [77], le sputum induit par inhalation d’une solution saline hypertonique [47, 78] et dans le sérum des patients asthmatiques [79]. Le niveau d’expression de la MMP-9 est corrélé avec le degré de sévérité de la maladie. En effet, la quantité de MMP-9 mesurée dans le sputum de patients atteints d’asthme sévère est significativement plus importante que celle mesurée chez les patients présentant un asthme modéré [80].
La MMP-9 est exprimée par les neutrophiles [47, 78], les éosinophiles [62] et les cellules épithéliales bronchiques (référence). Elle semble être un facteur important capable de stimuler l’infiltration des éosinophiles dans les voies aériennes de patients asthmatiques [81].
La régulation de la sécrétion de la MMP-9 dans les voies aériennes est assez complexe car plusieurs types cellulaires sont capables de produire cette protéase. Le récepteur PAR-2 (Protéinase Activated Receptor-2) joue un rôle important dans la sécrétion de la MMP-9. Ce récepteur est présent à la surface des cellules épithéliales et est activé par des sérines protéases ainsi que par la tryptase des mastocytes. L’activation de ce récepteur induit non seulement la sécrétion de MMP-9 mais également la libération de GM-CSF et de CCL-11 par les cellules épithéliales bronchiques. Le GM-CSF et le CCL-11 induisent la survie et le recrutement des éosinophiles respectivement [82].
L’IL-17 joue également un rôle important dans la sécrétion de MMP-9. Cette cytokine permet la libération de pro-MMP-9 ainsi que de MMP-9 active dans les voies aériennes et stimule l’accumulation locale de neutrophiles [83].
La MMP-2 est également une métalloprotéase dont l’expression est augmentée dans l’asthme.
Elle est produite par les cellules musculaires lisses et stimule la prolifération de ces cellules de façon autocrine. Ceci contribue probablement à une augmentation de la masse musculaire lisse [84]. De plus, cette protéase est capable, tout comme la MMP-9, de dégrader la membrane basale. Cette dégradation est suivie d’une réparation altérée entraînant finalement des dépôts de collagènes de types I, III et V et de fibronectine désorganisés. Ce sont vraisemblablement ces cycles de dégradation/réparation qui provoquent la formation de la zone de fibrose sous-épithéliale.
En plus de leur capacité à sécréter la MMP-9, les polynucléaires neutrophiles peuvent également produire la MMP-8. Cette protéase se retrouve également en quantité importante dans les biopsies et dans le liquide de lavage bronchoalvéolaire des patients asthmatiques [78]. La MMP-8 joue un rôle important dans la cascade d’événements conduisant à l’apoptose des neutrophiles et possède des propriétés anti-inflammatoires. En effet, lorsque des souris déficientes en MMP-8 sont exposées à un allergène comme l’ovalbumine, elles présentent, par rapport aux souris de type sauvage ayant été exposées au même allergène, une augmentation du nombre de neutrophiles et d’éosinophiles dans les parois bronchiques, une augmentation des taux d’IgE et d’IgG1 dans le sérum ainsi qu’une augmentation des taux d’IL-4 dans le liquide de lavage bronchoalvéolaire [85].
D’autres MMPs sont surexprimées dans l’asthme, la MMP-3 [86] et la MMP-12 [87] par exemple, mais leur mécanisme d’action doit encore être élucidé.